【正文】 案 圖 1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 太陽能電池在使用時(shí)由于太陽光的變化較大，其內(nèi)阻又比較高，因此輸出電壓不穩(wěn)定，輸出電流較小，這就需要用充電控制電路將電池板輸出的直流電壓變換后供給電池充電。當(dāng)光線條件適宜時(shí)，通過太陽能電池板吸收太陽光，將光能轉(zhuǎn)換為電能。由于充電器多采用大電流的快速充電法，在電池充滿后如果不及時(shí)停止會(huì)使電池發(fā)燙，過度的充電會(huì)嚴(yán)重?fù)p害電池的壽命。這就需 要一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)， 51 系列單片機(jī)時(shí)當(dāng)前使用最為廣泛的 8 位單片機(jī)系列，其豐富的開發(fā)資源和較低的開發(fā)成本，是 51 系列單片機(jī)現(xiàn)在以至將來都會(huì)有強(qiáng)大的生命力。本系統(tǒng)將采用 89C51 做為充電電路的控制器，從而以較低的成本輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的充電智能控制，同時(shí)也可以為其他小型電子產(chǎn)品提供潔凈的直流電源。本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖 1 所示，通過太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，由單片機(jī)編 太 陽 能 電 池 板 AT89C51 DC/DC 變換 顯示電路 手 機(jī) 電 池 ADC0809 按 鍵 6 程實(shí)現(xiàn) PWM 波控制開關(guān)管從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓電流的改變，通過顯示電路顯示輸出狀態(tài)及大小， 由 ADC0809 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的 采集及轉(zhuǎn)換并傳給單片機(jī)做判斷處理，從 而實(shí)現(xiàn)電路的智能輸出與控制。 太陽能電池板的選用 太陽能電池板是太陽能供電系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，是該充電器的核心部分，其功能是將太陽光的輻射能量轉(zhuǎn)化為電能， 如今的便攜式數(shù)碼設(shè)備種類較多，所需電壓電流不等，對(duì)于輸入功率較大的設(shè)備，必須采用面積較大的電池板，而這又給攜帶帶來不便。因此該設(shè)計(jì)采用模塊式組合，根據(jù)不同充電負(fù)載的需要，將太陽能板進(jìn)行組合以達(dá)到具有一定要求的輸出功率和輸出電壓的一組光伏電池。本文以手機(jī)、 MP3 等常用小功率用電設(shè)備為例，說明其太陽能充電器的設(shè)計(jì)過程。所選用的太陽能電池板技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如下 ： 尺寸 120mm 45mm，峰值電壓 6V，峰值電流 100mA，標(biāo)稱功率 。考慮被充電池的電流不同所需充電時(shí)間不等，采用 八 塊相同參數(shù)電池板進(jìn)行串、并聯(lián)，實(shí)測(cè)電池板的輸出電壓最大值為 ,電流最大可達(dá) 450mA，總標(biāo)稱功率為 5W 左右 ,實(shí)際輸出可根據(jù)不同的被充電對(duì)象進(jìn)行平滑調(diào)整 [7]。 LM7805 應(yīng)用 圖 2 LM7805 典型應(yīng)用電路 單片機(jī)電源電路的設(shè)計(jì)以三端集成穩(wěn)壓器 LM7805 為核心，它屬于串聯(lián)穩(wěn)壓電路，其工作原 理與分立元件的串聯(lián)穩(wěn)壓電源相同。圖 2 是三端穩(wěn)壓集成電路LM7805 的典型應(yīng)用電路，三端集成穩(wěn)壓器設(shè)置的啟動(dòng)電路，在穩(wěn)壓電源啟動(dòng)后處于正常狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)電路與穩(wěn)壓電源內(nèi)部其他電路脫離聯(lián)系，這樣輸入電壓變化不直接影響基準(zhǔn)電路和恒流源電路，保持輸出電壓的穩(wěn)定。電路中 Ci 的作用是消除輸入連線較長(zhǎng)時(shí)其電感效應(yīng)引起的自激振蕩，減小紋波電壓，取值范圍在 7 F～ 1μ F 之間，本文 Ci 選用 F；在輸出端接電容 Co 是用于消除電路高頻噪聲，改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，一般取 F 左右，本文 Co 即選用 F。一般電容的耐壓 應(yīng)高于電源的輸入電壓和輸出電壓。另外，為避免輸入端斷開時(shí)Co 從穩(wěn)壓器輸出端向穩(wěn)壓器放電，造成穩(wěn)壓器的損壞，在穩(wěn)壓器的輸入端和輸出端之間跨接一個(gè)二極管，對(duì) LM7805 起保護(hù)作用。 LM7805 輸入電壓為 8V到 36V，最大工作電流 ，具有輸入電壓范圍寬，工作電流大，輸出精度高且工作及其穩(wěn)定，外圍電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn) ，太陽能電池電壓即使有較大的波動(dòng)，也能穩(wěn)定的輸出 5V 電壓，從而是單片機(jī)等控制電路正常工作，且成本低。 單片機(jī) 電路 本系統(tǒng)單片機(jī)主要完成的任務(wù)是控制數(shù)據(jù)的采集過程，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理后 生成 PWM 脈寬調(diào)制信號(hào)控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷 ，從而控制輸出大小。具體工作過程是上電復(fù)位，首先查詢鍵盤 ，確定充電器功能，確定后繼續(xù)查詢鍵盤以確定輸出電流大小，或作為普通電源的輸出電壓，然后轉(zhuǎn)入相應(yīng)子程序并分析計(jì)算 PWM 占空比，開始輸出電流或電壓，并將數(shù)據(jù)送至顯示電路顯示。在輸出過程中通過 單片機(jī)定時(shí)器定時(shí)檢測(cè)輸出電流或電壓 ，與設(shè)定值比較后調(diào)節(jié)PWM 占空比，使輸出趨于設(shè)定值。在電池充電過程中，通過檢測(cè)電流大小而確定電池充電多少，從而改變充電方式或決定是否停止充電 [4]。 通過單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)了充電過程的智能控制，而 且大大簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，由于單片機(jī)良好的可重用性，如果需要改變電路工作狀態(tài)或電路參數(shù)，只需簡(jiǎn)單的修改程序即可實(shí)現(xiàn)，從而使電路的升級(jí)改造 變得簡(jiǎn)單易行。 按鍵指示電路及實(shí)現(xiàn) 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，按鍵主要有兩種形式： 獨(dú)立 按鍵； 矩陣編碼鍵盤。 獨(dú)立 按鍵的每個(gè)按鍵都單獨(dú)接到單片機(jī)的一個(gè) I/O 口上， 獨(dú)立 按鍵則通過判斷按鍵端口的電位即可識(shí)別按鍵操作；而矩陣鍵盤通過行列交叉按鍵編碼進(jìn)行識(shí)別。 通常所用的按鍵為輕觸機(jī)械開關(guān)，正常情況下按鍵的接點(diǎn)是斷開的，當(dāng)我們按壓按鈕時(shí)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)在 閉合時(shí)不會(huì)馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時(shí)也不會(huì)一下子斷開。因而機(jī)械觸點(diǎn)在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動(dòng)，抖動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短由按鍵的機(jī)械特性及操作人員按鍵動(dòng)作決定，一般為 5ms～ 20ms；按鍵穩(wěn)定閉合時(shí)間的長(zhǎng)短是由操作人員的按鍵按壓時(shí)間長(zhǎng)短決定的，一般為零點(diǎn)幾秒至數(shù)秒不等。 在本設(shè)計(jì)中由于按鍵不是太多，故采用 獨(dú)立 按鍵法，這樣可以減小編程的難 8 度，圖 3 為本設(shè)計(jì)的按鍵接線圖。 圖 3 按鍵接線圖 對(duì)電路總體考慮后，將 ADC0809 采集電路接在 了單片機(jī)的 P0 口，并用 P2口做采集控制，這樣 P0 口僅用接收數(shù)據(jù)，不用發(fā)送數(shù)據(jù)，有 P0 口的硬件構(gòu)成知道，其做輸出的話需接上拉電阻，做輸入的不用接，這樣整體上減少了電路的硬件開支，而 P3 口要做串口傳輸?shù)裙ぷ鳎栽诒倦娐分袑存I接在 P1 口， 其中 是數(shù)字減鍵， 為數(shù)字加鍵， 鍵位確定鍵， 為過電流 保護(hù)指示燈， 、 為輸出功能選擇鍵，按下 代表給手機(jī)電池充電，按下 則做普通直流電源使用，其中 5V 輸出可直接用 USB 連接線給手機(jī)充電，電池充電控制則有手機(jī)提供。 數(shù) 碼管顯示電路 AT89C51 單片機(jī)內(nèi)有一個(gè)串行 I／ O 端口，通過引腳 RXD 和 TXD 可與外部電路進(jìn)行全雙工的串行異步通信，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)由 TXD端送出，接收時(shí)數(shù)據(jù)由 RXD端輸入。串口有四種工作方式，通過編程設(shè)置，可以使其工作在任一方式以滿足不同的場(chǎng)合。其中，方式 0 是 8 位移位寄存器輸入／輸出方式，多用與外接移位寄存器以擴(kuò)展 I／ O 端口。串口的工作方式可以參看相關(guān)的書籍，此處不做詳細(xì)介紹。方式 0 的輸出是 8 位串行數(shù)據(jù)，通過移位寄存器可將 8 位串行數(shù)據(jù)變成 8位并行數(shù)據(jù)輸出，也可以將外部的 8 位并行數(shù)據(jù)變成 8 位串行數(shù)據(jù)輸入。因此 外接一個(gè)移位寄存器就可擴(kuò)展一個(gè) 8 位的并行輸入／輸出接口，如果想多擴(kuò)展幾個(gè)并口就需要在外部級(jí)連幾個(gè)移位寄存器。 本設(shè)計(jì)采用 基于串口的 LED 數(shù)碼管靜態(tài)顯示電路 ， 在串口擴(kuò)展中最常用的就是基于串口的 LED 數(shù)碼管顯示電路。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中， LED 數(shù)碼管的顯 9 示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的 I／ O 接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機(jī)只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí) ,再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法單片機(jī)中 CPU 的 開銷小。可以提供單獨(dú)鎖存的 I／ O 接口電路很多，常用的就是通過串口外接串并轉(zhuǎn)換器 74LS164，擴(kuò)展并行的 I／ O 口。需要幾個(gè)數(shù)碼管就擴(kuò)展幾個(gè)并行接口，數(shù)碼管直接接在74LS164 的輸出腳上，單片機(jī)通過串口將要顯示數(shù)據(jù)的字形碼逐一的串行移出至74LS164 的輸出腳上數(shù)碼管就可以顯示相應(yīng)的數(shù)字。 圖 4 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng) 電路 單片機(jī) AT89C51的串口外接 1片 74LS164作為 LED顯示器的靜態(tài)顯示接口，把 AT89C2051 的 RXD 作為數(shù)據(jù)輸 出線， TXD 作為移位時(shí)鐘脈沖。 Q0Q7(第 3— 6 和 10— 13 引腳 )并行輸出端分別接 LED 顯示器的 DPA 各段對(duì)應(yīng)的引腳上。本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 采用的是共 陽 極數(shù)碼管，因而各數(shù)碼管的公共極接電源 VCC， 本電路有 LM7805 提供 ，并采用三只串聯(lián)的二極管降壓，而非電阻降壓，這樣保證個(gè)數(shù)碼段的亮度一致 。 要顯示某字段則相應(yīng)的移位寄存器 74LS164 的輸出線必須是低電平。 當(dāng)有 按鍵 按下時(shí) ， 有單片機(jī)處理編碼后送到 數(shù)碼管上 顯示 。 BUCK 斬波電路 DC/DC 變換器廣泛應(yīng)用于便攜裝置（如筆記本計(jì)算機(jī)、蜂窩電話、 PDA 等）中。 它有兩種類型，即線性變換器和開關(guān)變換器。開關(guān)變換器因具有效率高、靈活的正負(fù)極性和升降壓方式的特點(diǎn)，而備受人們的青睞 [10]。 DC/DC 變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式 Ts 不變，改變 ton(通用 )，二是頻 10 率調(diào)制（ 1） Buck 電路 —— 降壓斬波器，其輸出平均電壓 U0 小于輸入電壓 Ui，極性相同。（ 2） Boost 電路 —— 升壓斬波器，其輸出平均電壓 U0 大于輸入電壓Ui，極性相同。（ 3） Buck－ Boost 電路 —— 降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0 大 于或小于輸入電壓 Ui，極性相反，電感傳輸。（ 4） Cuk 電路 —— 降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓 U0 大于或小于輸入電壓 Ui，極性相反，電容傳輸。還有 Sepic、 Zeta 電路。 在本電路中輸入始終大于輸出，所以采用脈寬調(diào)